De natuur is complex - vaak te complex voor mensen om te zien. Maar een door scheelzien gestuurde bril waarmee mensen 3D-warmtebeelden kunnen zien en een camera die de innerlijke werking van snelle chemische reacties kan vastleggen, helpen de grenzen van de menselijke waarneming te verleggen.

De menselijke zintuigen zijn al sterk afgestemd door miljoenen jaren van evolutie. Onze ogen, bijvoorbeeld, op de voorkant van ons gezicht zitten, waardoor we in drie dimensies kunnen zien, terwijl de cellen van ons netvlies gevoelig zijn voor verschillende golflengten van licht, geeft ons kleurenvisie.

Maar onze zintuigen hebben grenzen. Een snel rijdende kogel, bijvoorbeeld, reist te snel voor het menselijk oog om te zien.

"Er zijn veel dingen die we moeilijk kunnen waarnemen met de zintuigen die we hebben, " zei professor Albrecht Schmidt, een computerwetenschapper aan de Ludwig Maximilian Universiteit van München, Duitsland en leider van een project genaamd AMPLIFY.

"Ons project is gericht op het vinden van manieren om de traditionele zintuigen uit te breiden om de menselijke waarneming te verbeteren met digitale technologieën."

camera's, bijvoorbeeld, kan licht opvangen dat buiten het zichtbare spectrum ligt en bewegingen onthullen die te snel zijn voor het menselijk oog.

"De vraag is hoe we ze intuïtief in gebruik kunnen maken, " zei prof. Schmidt. Veel mensen richten zich op het maken van implantaten, hij zegt, maar het probleem is dat ze niet kunnen worden verwijderd.

"Als je iets in een bril hebt geïntegreerd, die ik meestal zonder bewust te dragen draag, we konden de zintuigen alleen versterken als dat nodig was."

Prototypes

Prof. Schmidt, samen met collega's van de Universiteit van Stuttgart, heeft hiervoor een aantal prototypes gebouwd.

Een daarvan is een bril die een warmtebeeld activeert wanneer de drager zijn ogen samenknijpt. Een camera die in het frame is verwerkt, produceert beelden met zichtbaar licht, nabij infrarood en ver infrarood. Deze geven de drager de mogelijkheid om normale zichtbare scènes te zien, maar ook driedimensionale warmtebeelden.

Sensoren die de zwakke elektrische signalen kunnen detecteren die door spieren worden geproduceerd, zijn ook in de frames ingebouwd om de bewegingen op te vangen die gepaard gaan met vernauwing of loensen van de ogen.

Het team heeft een versie gemaakt die kan worden ingebouwd in de helmen die door brandweerlieden worden gedragen, waardoor ze de mogelijkheid hebben om verborgen branden te spotten of mensen te vinden die vastzitten in gebouwen.

"Het is heel anders dan het gebruik van een thermische camera, omdat je actief weg moet kijken om te zien wat er aan de hand is, " zei Prof. Schmidt. "Op deze manier kun je de manier waarop je ziet heel gemakkelijk veranderen, zelfs onbewust."

Hij stelt zich een soortgelijk apparaat voor dat in staat zou kunnen zijn om in te zoomen op een scène ver weg of de actie te vertragen.

"Als ik uit het raam kijk, zie ik wat bomen, maar ik kon mijn ogen samenknijpen om in te zoomen en ik zou een vogel op een tak zien, " verklaarde prof. Schmidt. "Als de vogel opstijgt, mijn cognitieve belasting kan omhoog gaan, die kon worden gemeten aan de hand van mijn hersenactiviteit, en dat zou de camera vertellen om de beweging te vertragen.

"Als ik dan vanuit mezelf naar mijn computer kijk, het zou weer normaal kunnen worden. Dit alles gebeurt zonder dat ik er veel over hoef na te denken en het is deze controle waar we ons op hebben gefocust."

Het algemene doel van het team is om te proberen apparaten te maken die ofwel onmiddellijk intuïtief te gebruiken zijn, ofwel heel snel een tweede natuur kunnen worden.

Een ander prototype is een zwembril die de drager helpt zich te oriënteren terwijl het hoofd onder water is. Vooral zwemmers in open water kunnen moeite hebben om in de goede richting te zwemmen, omdat het gebrek aan visuele informatie hen kan desoriënteren.

Maar door een bril te monteren met een versnellingsmeter en magnetometer, het team was in staat om navigatie-aanwijzingen te geven met behulp van LED-verlichting in het perifere zicht.

Ze hebben ook een andere bril getest die de drager ogen in het achterhoofd geeft door camera's te gebruiken om een ​​360-graden beeld te geven. Door beelden in het perifere zicht weer te geven, het stelt de drager in staat potentiële gevaren te herkennen, zoals bij het oversteken van de weg, en draai je dus om om ze te bekijken.

Maar zelfs wanneer gewapend met de nieuwste cameratechnologie, er zijn ook enkele dingen die aan onze ogen zullen ontsnappen. Chemische reacties, bijvoorbeeld, happen in time scales that are too fast to capture with modern high-speed cameras – they can be over in just a couple of trillionths (a millionth of a millionth) of a second.

Dr. Maria Ana Cataluna, a physicist at the Institute of Photonics and Quantum Sciences at Heriot-Watt University, Edinburgh, VK, is leading a project aimed at overcoming this. The UPTIME project is attempting to build the fastest camera on the planet.

By exploiting new ultrafast lasers that send a flash of light lasting just between 10-100 femtoseconds (million billionths of a second) and sampling systems that can rapidly capture the photons reflected, they hope to be able to capture events that were previously impossible for us to see.

Vastlegging

"If we can't visualise it, we can't further understand it, " said Dr. Cataluna. "This means that the inner machinery of irreversible process widely present in physics, biology and engineering remain, in essentie, unobservable."

Among the events she hopes to be able to capture with the new camera are high speed biochemical reactions, to help reveal their inner workings. It could also allow scientists to capture phase changes, such as the ethereal moment when a liquid turns into a gas.

And it could also help better understand what happens to a material when it is transformed using laser-based manufacturing processes. This new knowledge could be used to help optimise the processes.

"A short burst of light lasting for only one microsecond enables a fast camera to capture a bullet in mid-flight, " explained Dr. Cataluna.

"In a timescale more than six orders of magnitude below this, optical pulses with sub-picosecond or femtosecond durations enable the capture of microscopic ultrafast phenomena. We want to be able to take snapshots of these."

While she is reluctant to say too much about how the technology would work until she has filed a patent for it, she is currently developing the core components that will be necessary to build the camera. She hopes, echter, that the new ultrafast camera will become a reality within three years.

As new technology gives us the ability to perceive in ways that have never been possible before, Prof. Schmidt urges caution. He believes that once we have these devices, the digital and social divides will widen.

"We will get into a space where digital technology will create many more superpowers, and those who have it will have a great advantage.

"We will need to be careful to ensure those who cannot afford the technology are not left behind."